KR100432704B1 - 수소화된 ＳｉＯＣ 박막 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 수소화된 SiOC 박막 제조방법은, 복수개의 웨이퍼가 수평 안착될 수 있으며 가스배출구가 마련되는 반응챔버; 웨이퍼가 각각 수평 안착하다 복수개의 서셉터; 상기 서셉터를 가열할 수 있는 가열수단; RF 전력을 인가받아 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 발생 유지시키기 위한 플라즈마 전극; 및 수평 회전하는 두개의 스프레이 인젝터를 갖는 회전 젯 스프레이를 구비하는 PECVD 장치를 이용하여 박막을 증착하며, 상기 두개의 스프레이 인젝터 중의 하나를 통해서는 BTMSM 증기 및 산소함유기체를 공급하고 나머지 하나를 통해서는 수소함유기체를 공급하여 상기 스프레이 인젝터를 수평 회전시키면서 박막을 증착하고, 박막 증착 중의 반응챔버의 압력은 0.1 내지 1Torr 이고, 상기 웨이퍼의 온도는 25∼400℃ 이고, 인가되는 RF 전력은 100 내지 2000W 인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 수소화된 SiOC(H:SiOC) 박막 제조방법에 관한 것으로서, 특히 산소 에싱(ashing) 등의 후속공정을 거치더라도 탄소의 손실이 최소화될 수 있도록 한 수소화된 저유전율 SiOC 박막 제조방법에 관한 것이다.
반도체 장치가 고집적화되면서 보다 미세한 회로가 요구되며, 따라서 동일 평면상에 형성되는 금속배선간의 수평 간격이 감소되어야 한다. 그런데, 금속배선간의 간격이 좁아지게 되면 금속배선 사이의 기생 커패시턴스에 의해서 금속배선 상호 간에 교란(cross talk)이 일어날 수 있다. 이 경우, 금속배선을 통한 전기적 신호가 불완전하게 전달되거나 그 전달 속도가 감소하는 문제가 발생하게 된다. 금속배선을 통한 신호 전달 속도를 증가시키기 위해서는 금속배선간의 기생 커패시턴스가 작아야 한다. 따라서, 작은 유전율을 갖는 층간 절연막이 요구되고 있다.
이러한 저유전율 절연막의 후보 중의 하나가 기존의 SiO2막에 다량의 탄소를 함유시킨 이른바 SiOC 박막이다. SiOC 박막은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD)에 의해서 형성될 수 있는데, 이 경우 그 소스로서메틸실레인(methylsilane), 디메틸실레인(di-methylsilane), 트리메틸실레인(tri-methylsilane), 테트라메틸실레인(tetra -methylsilane) 등을 사용하고 있다.
SiOC 박막이 저유전율을 갖는 이유는 첫째, 박막 내에 CHn의 형태로 함유된 탄소가 망목구조를 이루고 있는 SiO2의 일부를 댕글링(dangling)시킴으로써 형성되는 나노미터 크기의 공극이 저유전율을 유발한다. 둘째, Si-CH3결합이 Si-O 결합에 비해 작은 이온분극률(ionic polarizability)을 가지기 때문인 것으로 생각되나 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.
그러나, SiOC 박막은 산소 에싱(ashing) 등의 후속공정을 거칠 때 박막 내의 탄소가 손실(loss)되어 박막 특성이 저하된다는 문제를 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 산소 에싱(ashing) 등의 후속공정을 거치더라도 탄소의 손실이 최소화 될 수 있도록 수소함유기체를 더 공급하면서 박막을 형성하여 수소화된 SiOC 박막을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 수소화된 SiOC 박막 제조방법에 사용되는 PECVD 장치를 설명하기 위한 도면들;
도 6은 BTMSM의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 분석결과이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
300: 가스배출구 301: 서셉터 지지대
302: 웨이퍼 로딩부 303: 서셉터
304: 반응챔버 305-1: 회전축
305-2: 실린더 305-3: 가스주입공
305-4: 환형홈 305-5: 마그네틱 실링
305-6: 오링관 305-7: 나사결합공
305-8: 베어링 305-9: 가스공급관
306: 관통구멍 307: 분사공
308a, 308b: 스프레이 인젝터 312: 히터
314: 웨이퍼 316: 위치제어기
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소화된 SiOC 박막 제조방법은, 가스배출구가 마련되는 반응챔버; 상기 반응챔버 내에 설치되며 웨이퍼가각각 수평 안착되는 복수개의 서셉터; 상기 서셉터를 가열할 수 있는 가열수단; RF 전력을 인가받아 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 발생 유지시키기 위한 플라즈마 전극; 및 수평 회전하는 두개의 스프레이 인젝터를 갖는 회전 젯 스프레이를 구비하는 PECVD 장치를 이용하여 박막을 증착하며, 상기 두개의 스프레이 인젝터 중의 하나를 통해서는 BTMSM증기 및 산소함유기체를 공급하고 나머지 하나를 통해서는 수소함유기체를 공급하여 상기 스프레이 인젝터를 수평 회전시키면서 박막을 증착하고, 박막 증착 중의 반응챔버의 압력은 0.1 내지 1Torr 이고, 상기 웨이퍼의 온도는 25∼400℃ 이고, 인가되는 RF 전력은 100 내지 2000W 인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 회전 젯 스프레이로는 상기 반응챔버의 상부 벽에 수직 결합되며, 내벽 둘레를 따라서는 두개의 환형홈이 형성되고, 상기 환형홈은 측벽을 관통하도록 형성된 두개의 가스주입공과 각각 연결되는 실린더; 상기 실린더 내벽에 밀착되어 회전운동 가능하도록 상기 실린더에 삽입되어 상기 반응챔버 내부로 수직하게 내삽되며, 내부에는 길이방향과 나란하게 두개의 가스공급관이 마련되고, 상기 가스공급관 일단은 상기 환형홈에 각각 연통되는 회전축; 상기 회전축의 회전에 의해 수평 회전하도록 상기 회전축의 삽입끝단에서 상기 가스공급관과 각각 연결되어 수평하게 설치되며 그 아래 부분에는 복수개의 분사공이 마련되는 관(tube) 형태의 두개의 스프레이 인젝터; 를 구비한 것을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 두개의 스프레이 인젝터는 상기 회전축의 중심을 가운데 두고 서로 대향하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 산소함유기체로는 산소를 사용할 수 있으며, 상기 스프레이 인젝터를1 내지 100rpm의 속도로 회전시키면서 박막을 증착하는 것이 바람직하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 수소화된 SiOC 박막 제조방법에 사용되는 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 장치를 설명하기 위한 도면들이다. 여기서, 도 3 내지 도 5는 도 1의 회전 젯 스프레이를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 반응챔버(304)에는 내부 가스를 배출하기 위한 가스배출구(300)가 마련된다. 반응챔버(304) 내에는 서셉터 지지대(301)가 수평하게 설치된다. 서셉터 지지대(301) 상에는 복수개의 서셉터(303)가 놓여지며, 각각의 서셉터(303) 상에는 웨이퍼(314)가 놓여진다.
서셉터 지지대(301) 상에는 도 2에 도시된 바와 같이 복수개의 서셉터(303)가 놓여지며, 각각의 서셉터(303) 상에는 웨이퍼(314)가 놓여진다. 서셉터 지지대(301)는 서셉터(303)가 놓이지 않은 부분에 가스배출구(300)와 연결되는 적어도 하나의 관통구멍(306)을 가진다. 반응챔버(304)의 상부에는 실린더(305-2)와, 회전축(305-1)과, 스프레이 인젝터(spray injector; 308a, 308b)로 이루어지는 회전 젯 스프레이(spinning jet spray)가 설치된다.
공정 진행시에, 스프레이 인젝터(308a, 308b)를 회전시키면서 반응공간으로 원료가스를 분사한다. 경우에 따라서는, 스프레이 인젝터(308a, 308b) 대신에 서셉터 지지대(301)를 수평회전 운동시킬 수 있도록 서셉터 지지대(301)를 수평회전 가능하게 설치할 수도 있다. 또한, 공정에 따라서 스프레이 인젝터(308a, 308b)와 서셉터(303) 사이의 거리를 조절할 필요가 있으므로, 서셉터 지지대(301)와 회전축(305-1)을 각각 상하운동할 수 있도록 설치한다.
설명되지 않은 참조번호 302는 웨이퍼 로딩부를, 312는 웨이퍼(314)를 가열하기 위해 서셉터 지지대(301) 내부에 동심원 구조로 배치된 히터를 나타낸 것이다. 도시되지는 않았지만, 반응챔버(304) 상부에는 RF 전력을 인가받아 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 발생 유지시키기 위한 플라즈마 전극이 설치된다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 실린더(305-2)는 반응챔버(304)의 상부벽에 수직하게 플랜지 결합된다. 나사결합공(305-7)은 반응챔버(304)와 실린더(305-2)를 나사 결합시키기 위한 것이다. 반응챔버(304)에 밀착되는 부분에는 리크(leak)가 발생하지 않도록 오링이 설치될 수 있는 오링관(305-6)이 마련된다.
실린더(305-2)의 내벽 둘레를 따라서는 2개의 환형홈(305-4)이 형성되어 있다. 실린더(305-2)의 측벽에는 측벽을 관통하여 2개의 환형홈(305-4)과 각각 연결되는 가스주입공(305-3)이 2개 마련된다. 도 4는 환형홈(305-4)과 이에 연결되는 가스주입공(305-3)을 도시한 것이다.
회전축(305-1)은 실린더(305-2) 내벽에 삽입되어 반응챔버(304) 내부로 수직하게 내삽된다. 회전축(305-1)의 내삽길이를 제어할 수 있도록 내삽부위에 위치제어기(316)가 설치된다. 회전축(305-1)의 내부에는 길이방향으로 2개의 가스공급관(305-9)이 뚫려있다. 각각의 가스공급관(305-9)의 일단은 환형홈(305-4)과 연통되도록 설치된다. 회전축(305-1)은 실린더(305-2)와 밀착되면서 회전운동할수 있도록 설치된다. 회전축(305-1)이 용이하게 회전할 수 있도록 실린더(305-2)의 내벽에는 베어링(305-8)이 설치되며, 회전축(305-1)과 실린더(305-2)는 마그네틱 실링(305-5)에 의해 서로 밀착된다. 회전축(305-1)이 회전할 때 발생하는 마찰열을 무마시키기 위하여 실린더(305-2) 벽 내부에는 수냉관(미도시)이 설치된다.
스프레이 인젝터(308a, 308b)는 관(tube) 형태를 갖는데, 회전축(305-1)의 삽입끝단에서 가스공급관(305-9)과 각각 연결되어 방사형으로 수평하게 설치되며, 회전축(305-1)의 회전운동에 의해 수평회전한다. 스프레이 인젝터(308a, 308b)의 아랫부분에는 복수개의 분사공(307)이 마련된다.
가스주입공(305-3)을 통하여 가스를 각각 주입하면, 가스는 환형홈(305-4) 및 가스공급관(305-9)을 순차적으로 거쳐 스프레이 인젝터(308a, 308b)를 통하여 반응챔버(304)의 내부로 분사되게 된다. 회전축(305-1)이 회전하더라도, 2개의 가스공급관(305-9)과 2개의 환형홈(305-4)은 항상 연통된 상태로 존재하기 때문에, 가스공급은 회전축(305-1)의 회전에 관계없이 항상 이루어진다.
상술한 PECVD 장치를 사용하는 저유전율 SiOC 박막의 증착은, 서셉터(303) 각각에 웨이퍼(314)를 안착시킨 후에, 가스주입공(305-3) 중의 하나에는 비스-트리메틸시릴메탄(bis-trimethylsilylmethane; 이하, 'BTMSM') 및 산소기체를 공급하고 나머지 하나를 통해서는 수소를 공급하면서 회전축(305-1)을 1 내지 100rpm(round per minute)의 속도로 회전시킴으로써 구현된다.
가스주입공(305-3)으로 공급된 가스는 가스주입공(305-3)에 대응하는 환형홈(305-4)과, 이에 연통되는 가스공급관(305-9)을 거쳐, 최종적으로 스프레이인젝터(308a, 308b)의 분사공(307)을 통하여 반응챔버(304) 내로 분사된다. 스프레이 인젝터(308a, 308b)가 회전하면서 가스가 분사되기 때문에 반응공간 내에 가스가 골고루 분포하게 되어 여러 장의 웨이퍼에 균일하게 박막이 형성되게 된다. 보다 균일한 가스 분포를 위하여 두개의 스프레이 인젝터(308a, 308b)를 회전축(305-1)의 중심을 가운데 두고 서로 대향하도록 위치시키는 것이 바람직하다.
박막은 웨이퍼(314) 표면에서 화학반응이 일어나도록 히터(312)를 사용하여 웨이퍼(314)를 25∼400℃ 정도로 가열하고, 반응챔버의 압력을 0.1 내지 1Torr 로 하고, RF 전력을 100 내지 2000W 로 인가하여 형성한다. 플라즈마가 형성되면 BTMSM이 효과적으로 분해되고 박막 형성반응도 촉진되게 된다.
BTMSM은 실리콘과 탄소의 소스로서 제공된 것이므로 BTMSM과 산소를 공급하게 되면 SiOC 박막이 형성되게 된다. 이때, 수소도 같이 공급되므로 Si-C 결합이 Si-C-H화 되어 수소화된 SiOC(H:SiOC)막이 형성되게 된다. 이렇게 말단의 탄소원자가 수소와 결합하여 강한 C-H 결합을 이루게 되면 산소 에싱(ashing) 공정이 후속적으로 진행되더라도 탄소의 손실을 최소화 시킬 수 있게 된다. 경우에 따라서는, 먼저 BTMSM 증기 및 산소기체를 공급하여 SiOC 박막을 형성하고, 그 다음에 수소기체를 공급하여 상기 SiOC 박막 표면을 수소 플라즈마 분위기에 노출시켜도 본 발명에 따른 효과를 달성할 수 있다.
BTMSM의 구조를 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하면, BTMSM의 분자식은 Si2(CH2)(C3H9)2로서, 종래의 SiOC 박막증착용 소스들인 메틸실레인, 디메틸실레인,트리메틸실레인, 테트라메틸실레인과는 달리 두 실리콘 원자 사이에 탄소, 엄밀히 말하면 CH2가 존재하고 있음을 알 수 있다. 이 탄소는 양쪽의 실리콘 원자에 공통적으로 결합되어 있어서 다른 탄소성분(CH3)에 비해 결합력이 강하다.
이는 BTMSM 내에서의 실리콘과 탄소의 결합이 안정적인 결합이라는 것을 의미하며, 상기한 다른 소스들과 비교하여 볼 때, 동일 공정조건에서 보다 많은 탄소량을 SiOC 박막에 포함하며, 박막 증착 후 후속 반도체 소자 제조공정이 진행되더라도 안정적인 SiOC 박막특성을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
BTMSM의 또 다른 장점은 그 취급이 용이하다는 것이다. BTMSM은 그 끓는점이 132℃, 녹는점이 -71℃인 물질이기 때문에 상온에서는 액체상태이며, 불연성, 무독성일 뿐 아니라 공기에 대한 감응도(air-sensitivity)가 비교적 작아서 다루기 쉬운 물질로 알려져 있다.
BTMSM은 자동온도조절 버블러(thermostatic bubbler) 내에 저장되어 일정한 증기압을 유지하고 있다가 Ar 및 He 가스 등과 같은 캐리어 가스(carrier gas)에 의해 인도되어 하나의 가스주입공(305-3)에 산소가스와 함께 공급된다. 캐리어 가스는 50∼500sccm 의 유량으로 공급되며, 산소가스는 50∼1000sccm 의 유량으로 공급된다. 본 실시예에서는 산화반응가스로서 산소가스를 이용하였으나 그 외에도 오존(O3), N2O 가스, H2O2등이 이용될 수도 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 효과를 설명하기 위한 분석결과이다.
도 7을 참조하면, SiOC박막의 증착 직후(a)에는 Si-CH3결합피크가 있다가산소 에싱 후(c)에는 없어져서 SiOC 박막이 유전상수가 더 높은 SiO2-xHx형태로 바뀌었음을 볼 수 있다. SiOC 박막 증착 후에 수소 플라즈마 처리를 거치지 않고 바로 산소 에싱을 하는 경우에 탄소가 탈착되어 손실되었음을 의미한다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, SiOC박막의 증착 직후(a) 뿐만 아니라 수소 플라즈마 처리(b)를 하고 산소 에싱한 경우(c)에도 Si-CH3결합피크가 계속 존재함을 볼 수 있다. 이는 수소 플라즈마 처리에 의해 산소 에싱에 의한 탄소의 손실이 효과적으로 억제되었음을 보여주는 것이다. 수소 플라즈마 처리(b)는 도 8의 경우에는 5분, 그리고 도 9 및 도 10의 경우에는 각각 10분 및 30분 동안 수행되었다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 수소화된 SiOC 박막 제조방법에 의하면, 산소 에싱(ashing) 등의 후속공정을 거치더라도 탄소의 손실이 최소화 될 수 있게 된다. 그리고, 스프레이 인젝터(308a, 308b)를 회전하면서 가스들을 분사시키기 때문에 웨이퍼가 여러장 장입되더라도 모두 균일하게 수소화된 SiOC 박막을 형성시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.
Claims (6)
- 가스배출구가 마련되는 반응챔버; 상기 반응챔버 내에 설치되며 웨이퍼가 각각 수평 안착되는 복수개의 서셉터; 상기 서셉터를 가열할 수 있는 가열수단; RF 전력을 인가받아 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 발생 유지시키기 위한 플라즈마 전극; 및 수평 회전하는 두개의 스프레이 인젝터를 갖는 회전 젯 스프레이를 구비하는 PECVD 장치를 이용하여 박막을 증착하며,상기 두개의 스프레이 인젝터 중의 하나를 통해서는 BTMSM증기 및 산소함유기체를 공급하고 나머지 하나를 통해서는 수소함유기체를 공급하여 상기 스프레이 인젝터를 수평 회전시키면서 박막을 증착하고, 박막 증착 중의 반응챔버의 압력은 0.1 내지 1Torr 이고, 상기 웨이퍼의 온도는 25∼400℃ 이고, 인가되는 RF 전력은 100 내지 2000W 인 것을 특징으로 하는 수소화된 SiOC 박막 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 회전 젯 스프레이가,상기 반응챔버의 상부벽에 수직 결합되며, 내벽 둘레를 따라서는 두개의 환형홈이 형성되고, 상기 환형홈은 측벽을 관통하도록 형성된 두개의 가스주입공과 각각 연결되는 실린더;상기 실린더 내벽에 밀착되어 회전운동 가능하도록 상기 실린더에 삽입되어 상기 반응챔버 내부로 수직하게 내삽되며, 내부에는 길이방향과 나란하게 두개의 가스공급관이 마련되고, 상기 가스공급관 일단은 상기 환형홈에 각각 연통되는 회전축; 및상기 회전축의 회전에 의해 수평 회전하도록 상기 회전축의 삽입끝단에서 상기 가스공급관과 각각 연결되어 수평하게 설치되며 그 아래 부분에는 복수개의 분사공이 마련되는 관 형태의 두개의 스프레이 인젝터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소화된 SiOC 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산소함유기체가 산소인 것을 특징으로 하는 수소화된 SiOC 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 스프레이 인젝터가 1 내지 100rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 수소화된 SiOC 제조방법.
- 제1항에 있어서, 먼저 BTMSM증기 및 산소함유기체를 공급하여 SiOC 박막을 형성하고, 그 다음에 수소함유기체를 공급하여 상기 SiOC 박막 표면을 수소 플라즈마 분위기에 노출시키는 것을 특징으로 하는 수소화된 SiOC 박막 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 두개의 스프레이 인젝터가 상기 회전축의 중심을 가운데 두고 서로 대향하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 수소화된 SiOC 박막 제조방법.
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